Aenert news. Energy Trends

إن التقدم الكبير في إنشاء وتحسين بطاريات الليثيوم أيون جعل من الممكن إشباع الأسواق بمختلف الأجهزة المفيدة التي تستخدم الطاقة المخزنة فيها. وتشمل هذه السيارات الكهربائية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية وأنظمة تخزين الطاقة وغير ذلك الكثير. وساهم الانخفاض الحاد في أسعار موارد الليثيوم في ذلك.دراسة أجرتها شركة McKinsey Battery Insights عام 2022 إلى أن سلسلة إنتاج بطاريات الليثيوم أيون بدءًا من استخراج المواد الخام وحتى المنتجات النهائية يمكن أن تنمو بأكثر من 30% سنويًا حتى عام 2030. وسيبلغ حجم السوق أكثر من 400 مليار دولار أمريكي و4.7 تيراواط/ساعة.
تدين بطاريات الليثيوم أيون بهذا التقدم في المقام الأول إلى الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة للليثيوم، الذي يتمتع بكتلة دنيا (0.53 جم/سم3) وأقصى جهد كهربائي سلبي (- 3.04 فولت). وقد حدد هذا مسبقًا إمكانية إنشاء بطاريات ليثيوم أيون ذات مستوى عالٍ من كثافة الطاقة مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى.



Comparative Energy Density of different types of batteries, aenert.com

ومع ذلك، على الرغم من هذه النجاحات، فإن متطلبات السوق المتطورة تفرض تحديات جديدة ومتزايدة التعقيد للمهندسين، مما يؤدي إلى إنشاء أنواع مختلفة من بطاريات أيونات الليثيوم ذات الخصائص الفردية.

وفقا لعدد من الخبراء، تهيمن بطاريات الليثيوم والحديد والفوسفات (LFP) على السوق العالمية اليوم، والتي يمكن أن تصل حصتها بالفعل إلى 60٪. حاليًا، تُستخدم بطاريات LFP على نطاق واسع في سوق السيارات الكهربائية الأكثر حساسية، بما في ذلك عدد من طرازات Tesla. وبالنظر إلى أن النقل البري يمثل حوالي 15% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، فإن إنتاج السيارات الكهربائية ينمو بشكل مطرد ومن المتوقع أن يتجاوز 16 مليون وحدة في عام 2024. لذلك، فإن آفاق بطاريات LFP جيدة جدًا. بالمقارنة مع النوع الرئيسي من أكسيد الليثيوم والكوبالت (LCO) والتطورات الأحدث في شكل أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) وأكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA)، فإن LFPs أقل شأنا من لهم في المقام الأول من حيث كثافة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه البطاريات بجهد خلية منخفض وتفقد جزءًا كبيرًا من خصائصها عند درجات الحرارة المنخفضة.

ومع ذلك، فإن غياب النيكل والكوبالت الباهظ الثمن في هذه البطاريات، فضلاً عن انخفاض خطر الاحتراق التلقائي، ساهم في الترويج لبطاريات LFP في الأسواق. بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن احتياطيات هذا النوع من البطاريات لم تنضب بعد. وبالتالي، فإن أكبر شركة مصنعة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن في العالم، CATL الصينية (حجم المبيعات في عام 2023 259.7 جيجاوات في الساعة أو حوالي 37٪ من السوق) قدمت مؤخرًا بطاريات LFP جديدة ذات خصائص مضمونة فريدة - تصل إلى 1.5 مليون كيلومتر أو 15 عامًا من التشغيل. كما كشفت CATL عنبطارية شحن Shenxing فائقة السرعة ، قادرة على إضافة 400 كيلومتر في 10 دقائق.



1. Power cord 2. Lithium-Ion battery system 3. Electric motor 4. Regenerative braking 5. Transmission

هناك أيضًا تطورات جدية في إنشاء إلكتروليتات جديدة آمنة. على سبيل المثال، تم مؤخرًا نشر مقال حول المنحل بالكهرباء الآمن لبطاريات الأيونات القلوية طويلة الأمد في مجلة Nature . على الرغم من أنها تتعامل مع بطاريات الأيونات القلوية، إلا أن فكرة إنشاء إلكتروليتات غير قابلة للاشتعال تستحق الاهتمام بالتأكيد. من المثير للإعجاب أيضًا رسالة Honor، التي تم تجهيز هاتفها الذكي Honor Magic6 Pro ببطارية ذات أنود من السيليكون والكربون، وهو إنجاز خطير آخر.

ومع ذلك، يستمر البحث عن أنواع بديلة من البطاريات ذات الأداء الأفضل، ويبدو أن هذا غالبًا ما يكون مصحوبًا برغبة جنونية في الانتهاء أولاً. من بين العدد الكبير من الأنواع الجديدة من البطاريات، يولي المطورون أكبر قدر من الاهتمام لنوعين رئيسيين - بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات أيونات الصوديوم.

بطاريات الحالة الصلبة

وفقًا لأحد المطورين الرائدين لهذا النوع من البطاريات، شركة Blue French Solutions : "...ستتمتع بطاريات الحالة الصلبة بميزة نظرًا لعمر الخدمة الطويل، والاستقرار العالي، والسلامة، والتكلفة المنخفضة وإمكانية الاستخدام كثافة طاقة عالية." تم تصميم بطاريات الحالة الصلبة من Blue Solutions باستخدام قطبين كهربائيين وإلكتروليت بوليمر صلب. في هذه الحالة، يتكون الكاثود من LiFePO₄، والأنود من معدن الليثيوم. وتقوم شركة بلو سولوشنز بالفعل بتسويق بطارياتها الصلبة المخصصة للحافلات ، والتي يمكن شحنها خلال أربع ساعات، وتخطط لبناء مصنع كبير لإنتاج بطارياتها بحلول عام 2029. وتجري شركة QuantumScape

الأمريكية الناشئةأبحاثًا لإنشاء نسختها الخاصة من معدن الليثيوم. بطارية الحالة الصلبة. ميزة التصميم خالية من الأنود، حيث أنه في حالة التفريغ يتم تصنيع البطارية بدون أنود، ويتم تشكيل الأنود في مكانه أثناء الشحن الأول. وتعتزم الشركة تحقيق كثافة عالية جدًا لبطارياتها، تصل إلى 800-1000 واط ساعة/لتر. وفقًا لشركة فولكس فاجن ، أحد عملاء QuantumScape، فإن البطاريات المقترحة لها نطاق يصل إلى 500 ميل ووقت شحن يصل إلى 80٪ من سعتها في 15 دقيقة.وقالت تويوتا إنها تخطط لتسويق بطاريتها ذات الحالة الصلبة بمدى يصل إلى 1000 كيلومتر ووقت شحن يصل إلى 10 دقائق في 2027-2028. ومع ذلك، من المقرر أن يبدأ الإنتاج الضخم في موعد لا يتجاوز عام 2030. وأعلنت شركة NIO الصينيةعن بدء الاختبار العام لبطارياتها شبه الصلبة بسعة 150 كيلووات في الساعة قبل إنتاجها بكميات كبيرة.تواصل شركة LG Energy Solution في كوريا الجنوبية وSamsung SDI أبحاثهما بنشاط في هذا الاتجاه.

وتتوقع شركة CITIC Securities أن تصل شحنات البطاريات الصلبة إلى 38 جيجاوات/ساعة في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2025، أو 1.7%.

CATL أكثر تحفظًا بشأن آفاق بطاريات الحالة الصلبة. وتسعى الشركة إلى تحقيق إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بكميات صغيرة بحلول عام 2027 .

المشكلة الرئيسية في التشغيل الموثوق لهذا النوع من البطاريات هي التكوين المكثف للتشعبات على الأنود أثناء الشحن. يمكن أن يؤدي النمو التشعبي غير المنضبط إلى إتلاف الحجاب الحاجز ويؤدي في النهاية إلى حدوث ماس كهربائي. ولذلك فإن البحث عن مواد كهروكيميائية فعالة جديدة يظل أولوية بالنسبة للباحثين. قد يكون أحد الخيارات لحل هذه المشكلة هو التوليف المستهدف لأكاسيد فلز البيروفسكايت . تعتبر البيروفسكايت بالفعل أكثر المواد الواعدة في مجال الخلايا الكهروضوئية، حيث تراكمت لديها ثروة من الخبرة في تحديد خصائصها المفيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الشوارد الصلبة في حد ذاته لا يستبعد التفاعل المكثف للليثيوم مع الأكسجين في حالة تلف علبة البطارية مع إطلاق مواد سامة. وأخيرا، تستهلك بطاريات الحالة الصلبة كميات أكبر من الليثيوم مقارنة بنظيراتها من أيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى تفاقم مشاكل الموارد. لذلك، من الواضح أنه من السابق لأوانه الحديث عن التنفيذ واسع النطاق لبطاريات الحالة الصلبة في الأسواق الاستهلاكية في السنوات القليلة المقبلة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث والاختبار المتكرر للمنتجات الجديدة.


Credit I.Ciorici

بطاريات أيون الصوديوم من

الميزة الرئيسية لهذا النوع من البطاريات هي عدم وجود الليثيوم باهظ الثمن وغير الآمن بيئيًا. وعلى الرغم من انخفاض أسعار الليثيوم بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة، إلا أنه ليس من المؤكد أن يستمر هذا الاتجاه في الأسعار لفترة طويلة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن احتياطيات الصوديوم أكبر بمئات المرات من احتياطيات الليثيوم المؤكدة. غالبًا ما تشتمل المزايا المهمة الأخرى لبطاريات أيونات الصوديوم على انخفاض خطر الحريق، والأداء العالي في درجات الحرارة المنخفضة، وعدد كبير من دورات التفريغ العميق، وإعادة الشحن السريع، وعمر الخدمة الطويل.

لكن بطاريات أيونات الصوديوم لها عيب خطير - فهي أقل شأنا من بطاريات الليثيوم أيون من حيث كثافة تخزين الطاقة. ويرجع ذلك إلى الخصائص الطبيعية للصوديوم. وهو أثقل مرتين تقريبًا من الليثيوم ولديه إمكانات إلكترود أقل بنسبة 10٪ تقريبًا.



ومع ذلك، انضمت العديد من الشركات المعروفة والشركات الناشئة الشابة بنشاط إلى السباق لتحقيق إنجازات جديدة. ولعل شركة ناترون للطاقة

الأمريكيةتقدمت أكثر من غيرها في هذا الاتجاه. تحتوي خلايا بطارية النترون على قطب موجب (كاثود)، وقطب سالب (أنود)، وفاصل مسامي بين القطبين، وإلكتروليت غير مائي يشبه المعجون. السمة الرئيسية للمواد المستخدمة في هذا التصميم هي اللون الأزرق البروسي(صبغة زرقاء داكنة تنتج عن أكسدة أملاح فيروسيانيد الحديدوز)، ولها بنية مكعبة مع مساحة حرة كبيرة بين الذرات. وهذا يعزز الإقحام السريع لأيونات الصوديوم أثناء الشحن. كما يستخدم الألومنيوم والحديد والمنغنيز في تعديلات مختلفة للكاثودات والأنودات. كثافة الطاقة لهذه البطاريات ليست عالية بعد وتبلغ حوالي 70 واط ساعة/كجم. لذلك، لا يزال استخدام هذه البطاريات مبررًا في الظروف الثابتة، على سبيل المثال، في أجهزة تخزين الشبكة ومراكز البيانات. أطلقت الشركة مؤخرًا أول مصنع صغير لها في ميشيغان.

يستخدم باحثون آخرون الكربون الصلب، والمركبات القائمة على التيتانيوم، والمواد القائمة على الأنتيمون كمواد أنود ، وأكاسيد المعادن الانتقالية، والفوسفات، ومواد أكسيد الطبقات للكاثود. يتم استخدام المذيبات العضوية السائلة، أو مركبات الحالة الصلبة، أو البوليمرات الهلامية المملوءة بأملاح الصوديوم كإلكتروليتات، ويتم استخدام أفلام البوليمر المسامية للفواصل.

Bedrock Materials هي شركة أمريكية أخرى حققت تقدمًا كبيرًا في إنشاء بطاريات أيونات الصوديوم التنافسية. وفقًا لرئيس الشركة ، "إن تقنية بطارية أيون الصوديوم جاهزة للاستخدام في سيارة كهربائية بطول 300 ميل بسعر أقل من أرخص تقنية خلايا LFP الحالية."

وبطبيعة الحال، كان من الأحداث المهمة لمؤيدي بطاريات أيونات الصوديوم إطلاق أول محطة لتخزين الطاقة في العالم ببطاريات من هذا النوع. تقع محطة بطاريات الصوديوم بقدرة 10 ميجاوات في مدينة جوانجشي، وتستخدم خلايا بقوة 210 أمبير يمكن شحنها إلى 90% خلال 12 دقيقة فقط. يمكن أن تؤدي التكلفة المنخفضة لخلايا الصوديوم إلى توليد الكهرباء بسعر أقل من 0.03 دولار لكل كيلووات في الساعة.


Battery-pack-in-battery-room-in-power-plant. Envato Elements. UWYEARVNGM

الشركة الرائدة عالميًا في إنتاج البطاريات القابلة لإعادة الشحن، شركة CATL الصينية، لا تترك جانبًا فكرة إنشاء بطاريات أيون الصوديوم ذات خصائص عالية الأداء. وأعلنت الشركة أنها تعمل على إنشاء بطاريات أيون الصوديوم من الجيل الثاني بكثافة طاقة تبلغ 200 واط ساعة/كجم. قبل ثلاث سنوات، عرضت شركة CATL بالفعل الجيل الأول من بطاريات أيونات الصوديوم بكثافة طاقة تبلغ 160 واط ساعة/كجم. ومع ذلك، فإن الابتكار الرئيسي للشركة هو تغيير المفهوم العام لاستخدام بطاريات أيون الصوديوم. وتتكون حزمة البطاريات الجديدة الآن من مجموعة من بطاريات أيون الصوديوم وبطاريات أيون الليثيوم في نفس الحزمة. وبالتالي، من ناحية، يتم تعويض كثافة الطاقة غير الكافية لبطاريات أيونات الصوديوم، ومن ناحية أخرى، يتم استخدام مزايا بطاريات أيونات الصوديوم في الأداء الجيد عند القوى العالية ودرجات الحرارة المنخفضة.

متخصصون من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيااكتشف (KAIST) قدرات غير مسبوقة حتى الآن لبطاريات أيونات الصوديوم. وفي تصنيع الكاثود، استخدموا المواد المستخدمة في المكثفات الفائقة، وقاموا أيضًا بتحديث تصميم الأنود. وقد أتاح هذا التحسين توفير شحن فائق السرعة لبطاريات أيونات الصوديوم، مما يفتح آفاقًا ممتازة في سوق الأجهزة المحمولة. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق كثافة طاقة مذهلة تصل إلى 247 واط ساعة/كجم.

توضح هذه الأمثلة الحماس غير المنقوص للباحثين والمصنعين في تطوير أنواع جديدة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن. حتى الآن، تتولى بطاريات الليثيوم أيون، وخاصة فوسفات الليثيوم والحديد، قيادة السوق بقوة، ومن الواضح أنها لن تتخلى عن هذا المنصب. على الرغم من الإنجازات الحالية في تطوير بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات أيونات الصوديوم، إلا أنها ليست جاهزة بعد لغزو الأسواق على نطاق واسع. تتطلب مشكلة نمو التشعبات غير المنضبط في بطاريات الحالة الصلبة المصنوعة من معدن الليثيوم إجراء اختبارات مفصلة ومطولة للنماذج الجديدة، الأمر الذي سيستغرق بالتأكيد الكثير من الوقت. تتمتع بطاريات أيون الصوديوم بالفعل بمكانة مناسبة للاستخدام في التطبيقات الثابتة، ولكن لدخول سوق السيارات الكهربائية الأكثر اتساعًا وديناميكية، من الضروري إثبات القدرة على تحقيق كثافة طاقة مماثلة لهذه البطاريات مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. ولعل هذه هي النقاط المرجعية الأساسية التي لا يمكن الحديث عن ثورة جديدة في عالم البطاريات دون تجاوزها.

Why Lithium is the Best Component for Batteries

بقلم هيئة التحرير                                                                                                                                                             Download PDF version